AT506283A2

AT506283A2 - Verfahren und werkzeuge zum fliesspressen von magnesium-knetlegierungen

Info

Publication number: AT506283A2
Application number: AT0167706A
Authority: AT
Original assignee: Neuman Aluminium Fliesspresswe
Priority date: 2006-10-09
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2009-07-15
Also published as: DE502007006721D1; EP1941953B1; ATE501798T1; EP1941953A1; PL1941953T3

Description

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NEUMAN ALUMINIUM Fließpresswerk GmbH

Verfahren und Werkzeuge zum Fließpressen von Magnesium-

Knetlegierungen.

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Werkzeuge zum Fließpressen von Magnesium-Knetlegierungen, bei welchem ausgehend von einem Gussbolzen od. dgl. durch Umformprozesse, wie Strangpressen, Walzen und / oder Schmieden mit anschließender Wärmebehandlung ein feinkörniges Gefüge erzeugt wird.

Das Umformvermögen eines Werkstoffes wird von vielen Faktoren beeinflusst: den Werkstoffeigenschaften (Kristallgitter, chemische Zusammensetzung, Gefügezustand, Anisotropie), den thermodynamischen Bedingungen (thermisch aktivierte Prozesse, Umformgeschwindigkeit), dem Umformverhalten (Reibung, Geometrie der Umformzone, Werkzeuggeometrie, Umformgeschichte) und dem Spannungszustand bei der Umformung.

Magnesiumlegierungen sind aufgrund ihrer hexagonalen Gitterstruktur bei Raumtemperatur nur sehr bedingt umformbar. Metallen mit hexagonaler Gitterstruktur stehen bei Raumtemperatur nur ein Gleitsystem (Gleiten in der Basisebene), sowie Zwillingsbildung für die Verformung zur Verfügung, im Gegensatz zu Metallen mit kubisch-flächenzentrierter Gitterstruktur mit 5 unabhängigen Gleitsystemen. Erst bei einer Temperatur über 225°C werden weitere pyramidale Gleitebenen aktiviert. 1

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Fließpressen von Magnesiumlegierungen bei niedrigen Temperaturen (T< 225°C) ist also eine große Herausforderung an den Werkstoff. H.-W. Wagener [“Deep drawing and impact extrusion of magnesium alloys at room temperature”, Advanced Engineering Materials 2003,5, No. 4 und “Fließpressen von Magnesium-Knet- und Gusslegierungen”,

Blech, Rohre, Profile, UTF Science 1/2002 ] versuchte bei Fließpressexperimenten mit Magnesiumlegierungen das geringe Umformvermögen durch Vergrößerung des hydrostatischen Druckanteiles zu kompensieren. Die Druckspannungsüberlagerung wird durch die Verwendung eines geschlossenen Werkzeuges mit nicht hinterdrehten Matrizen bzw. nicht hinterdrehten Stempeln (Vorwärts-Fließpressen) erreicht. Während der Umformung wirken entgegen der Fließpressrichtung ein oder zwei kraftbeaufschlagte Stempel. Versuche bei Raumtemperatur mit ZK60A mittels Voll-Vorwärts-Fließpressen mit Gegendruck liefern kein befriedigendes Ergebnis. Aber eine Erhöhung der Probentemperatur auf 250 - 400°C führt auch bei nicht erwärmten Werkzeugen zu fehlerfreien Werkstücken. Aufgrund der begrenzten Duktilität der untersuchten Legierungen (AE42HP, AM20HP, AM70HP, AZ91HP, AZ31B, AZ80, ZK60A) ist ein rissfreies Vorwärts-Fließpressen mit Gegendruck nur bedingt möglich, durch das Voll-Vorwärts-Fließpressen mit Gegendruck können einwandfreie Werkstücke nur mit erhöhtem Gegendruck oder bei höheren Umformtemperaturen erzielt werden.

Chapman und Wilson [ „The room-temperature ductility of fine-grain magnesium“, Bull. J. Inst. Met., 1962-63, 91, ] zeigten, dass bei Magnesium durch Reduktion der Korngröße die Temperatur-Duktilitäts-Kurve in Richtung niedrigere Temperaturen verschoben werden kann, siehe Fig. 1. Bei diesem Material handelt es sich um gleichmäßig rekristallisiertes Magnesium mit einer Korngröße von 2 pm. Dieses Material ist überraschend duktil bei niedrigen Temperaturen und V erformungsgeschwindigkeiten. 2 • · · · · ·· ·· ··· • · ·· · · ·· · · ·

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Zur Erzeugung eines feinkörnigen Gefüges von Mg-Legierungen sind folgende Methoden vorgeschlagen worden: A. Strang- oder Formguss mit Kornfeinung mittels spezieller Legierungsbestandteile. Z.B hat sich für Ai-freie Mg-Legierungen Zirkonium als ein sehr effizienter Komfeiner bewährt. B. Strangguss und Umformen ( Strangpressen, Walzen, Schmieden)

Die vorliegende Erfindung hat eine Weiterentwicklung dieser Technologien zum Gegenstand, wobei der Schwerpunkt auf die Verfahrensschritte gemäß Absatz B gerichtet ist, aber auch die Kombination beider Techniken zur Anwendung kommt.

Die Erfindung ist insbes. dadurch gekennzeichnet, dass beim Umformprozess eine Umform- bzw. Pressrate von mindestens 1:20, vorzugsweise mindestens 1:26 angewendet wird und damit Korngrößen < 20pm, vorzugsweise < 10pm erzeugt werden und die Fließpressbutzen dem auf die oben beschriebene Weise erzeugten Halbzeug senkrecht zur Umform- bzw. Schmiederichtung entnommen und bei Temperaturen < 200 °C, vorzugsweise bei Raumtemperatur fließgepresst werden.

Vorzugsweise wird durch entsprechende Legierungsbestandteile, wie Zn, Zr, Mn, Ca,

Si, Sb und Ag, ein besonders feinkörniges Gefüge des Ausgangsmaterials (Gussbolzen) erzeugt.

Vorteilhaft werden beim Fließpressen die Fließpressbutzen ohne Schmiermittel-Beschichtung verpresst. Im Gegensatz zum Fließpressen von Aluminium hat sich gezeigt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ohne Schmierung gute Ergebnisse erzielt werden können. Durch Entfall der Beschichtung der Butzen mit einem Schmiermittel ergibt sich eine deutliche Rationalisierung des Verfahrens.

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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung erfolgt das Fließpressen mit Werkzeugen, die in an sich bekannter Weise, zumindest teilweise durch Beheizen auf eine Temperatur von mindestens 200 °C vorgewärmt sind.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Beispieles und unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Die Fig. 1 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Duktilität von Temperatur und Korngröße nach Chapman und Wilson. Die Fig. 2a bis 2d veranschaulichen die Geftigeänderung durch Strangpressen bei 2 verschiedenen Legierungen. Im Diagramm Fig. 3 ist der Zusammenhang von Bruchdehnung und Gleichmaßdehnung im Zugversuch bei 120 °C für verschiedene Proben gezeigt. Die Fig. 4 zeigt im Axialschnitt ein Fließpresswerkzeug, die Fig. 5 veranschaulicht ebenfalls im Axialschnitt eine optimierte Werkzeugversion.

Beispiel 1. Strangpressen:

Stranggussbolzen aus ZM21 (Korngröße ca. 1 - 2 mm) und aus ZK31 (Korngröße ca. 80 pm) wurden mit unterschiedlichem Pressverhältnis (1:5, 1:9, 1:14, 1:26) stranggepresst. ZM21 und ZK31 Strangpressprofile mit einem Pressverhältnis von 1:9 und 1:14 wurden gewalzt bzw. geschmiedet und wärmebehandelt.

Die metallographische Untersuchung des stranggepressten Vormaterials ergab, dass die Pressverhältnisse 1:5 und 1:9 zu gering sind, um eine vollständige Durchknetung zu erreichen.

Strangpressen mit einem Pressverhältnis von 1:26 fuhrt hingegen zu einer deutlichen Reduzierung der Korngröße. Die Gefugeausbildungen des Gusszustandes und des 4 • · · · · ·· ···

Pat. 30 stranggepressten Materials (Pressverhältnis PV = 1:26) sind in den Fig. 2a -2d dargestellt Die Fig. 2a zeigt ein Schliffbild einer Guss-Probe der Legierung ZM21 mit einem dendritischem Gefüge mit Korngrößen von 1-2 mm. Durch Strangpressen mit einer Pressrate von 1:26 wird eine Reduktion der Korngrößen auf < 200pm erzielt (Fig. 2b). Die Fig. 2c veranschaulicht das Schliffbild einer Gussprobe der Legierung ZK31, die im Ausgangszustand eine mittlere Korngröße von 80 μιη aufweist. Durch Strangpressen mit einer Pressrate von 1:26 wird die Korngröße auf < 30 pm reduziert. (Fig. 2d). 2. Walzen

Auf 390°C vorgewärmte Zuschnitte der Legierungen ZM21 und ZK31 wurden aus dem Gusszustand und stranggepresst mit einem Pressverhältnis von 1:9 auf eine Plattendicke von 22 mm gewalzt. Die Walzplatten wurden anschließend bei 350°C eine Stunde wärmebehandelt. Die Butzen für die Fließpressversuche wurden den Walzplatten senkrecht zur Walzrichtung entnommen. 3. Freiformschmieden

Mit einem Pressverhältnis von 1:9 und 1:14 stranggepresste Profile aus ZM21 und ZK31 wurden durch Schmieden weiter umgeformt. Die ZM21 Profile wurden vor dem Schmieden auf 390°C und die ZK31 Profile auf 450°C aufgewärmt. Die Korngrößenverteilung der geschmiedeten ZM21 Profile war sehr inhomogen - Bereiche von 20 pm großen Körnern liegen neben 1 mm großen Körnern. Bei ZK31 ist die Korngrößenverteilung nach dem Schmieden signifikant homogener als beim ZM21. Die geschmiedeten Profile wurden anschließend bei 375°C eine Stunde wärmebehandelt.

Die Butzen für die Fließpressrichtung wurden den Schmiedeproben senkrecht zur Schmiederichtung entnommen. 5 • · · · · ·· ···

Pat. 30 4, Zugversuche

Zur Beurteilung der Fließpressbarkeit wurden mit den thermomechanisch optimierten Legierungen Zugversuche bei 120°C durchgefuhrt und als relevante Richtkenngrößen die Bruchdehnung und die Gleichmaßdehnung ermittelt. Um die Ergebnisse mit den Kennwerten von AA6082 (eine typische Aluminiumlegierung für das Kaltfließpressen) bei Raumtemperatur direkt zu vergleichen, wurden die Kennwerte auf AA6082 normiert: ein Kennwert, der auf (1,1) positioniert ist, entspricht den Kennwerten von AA6082. Werte größer 1 sind besser und Werte kleiner 1 schlechter als AA6082. Die Ergebnisse der unterschiedlich thermomechanisch behandelten ZM21 und ZK31 Legierungen sind in Fig. 3 dargestellt Die Legierung ZK31 kann ausgehend vom Gusszustand durch thermomechanische Verfahren, wie z.B. Strangpressen und Wärmebehandlung oder Strangpressen - Schmieden und Wärmebehandlung deutlich optimiert werden. Bei der Legierung ZM21 hingegen verschlechtern sich die mechanischen Kennwerte durch diese Verfahren. Eine Optimierung ist hier über den Weg Guss - Walzen möglich. 5. Fließpressen

Mit einer hydraulischen 100 t Presse sowie einer 600 t Kniehebelpresse wurden im Temperaturbereich 300 - 120°C aus dem optimierten ZM21- und ZK31 -Vormaterial becherartige Teile mit einer Wandstärke von 3,6 mm und einer Schenkellänge von 20 mm fließgepresst. Bis zu einer Temperatur von 150°C konnten durchwegs Gutteile hergestellt werden, Fließpressversuche bei 100°C waren bei keiner Legierung erfolgreich. Die metallographische Untersuchung der Fließpressteile ergab, dass im kritischen Umformungsbereich am Becherboden bei höheren Temperaturen (T > 150°C) und hohem Pressverhältnis der Fließlinienverlauf nahezu parallel zur Fließpressrichtung verläuft. Bei Fließpressversuche bei niedrigeren Temperaturen bzw. geringerem Pressverhältnis des Vormaterials kommt es in dieser Zone zu einer Verwerfung und infolge dessen auch zur Rissbildung. 6 t Pat. 30 • · · · · ·· ·«· 6. Fließpresswerkzeug.

Die Fließpressversuche mit einer Wandstärke von 1,5 mm und 90 mm Schenkellänge wurden an einer 6001 Kniehebelpresse durchgeführt. Mit der Legierung ZK31 konnten mit einem Werkzeug gemäß Fig.4. durchwegs intakte Teile gepresst werden. Bei der Legierung ZM21 traten am Becherrand vereinzelt kleine Risse auf.

Um eine weitere Verbesserung der Umformbarkeit zu erzielen, wurden, aufbauend auf den Erkenntnissen der ersten Versuche, die Geometrien der Fliesspresswerkzeuge modifiziert. Die Fig. 5 zeigt ein solches, für das Fließpressen von Magnesium optimiertes Werkzeug.

Die nächsten Versuche wurden mit diesem optimierten Werkzeug durchgeführt, wobei Muster mit Wandstärken von 1,5mm, 0,7mm, 0,5mm, 0,35mm sowie 0,25mm gepresst wurden.

Das Werkzeug wurde durch spezielle Heizelemente in der Matrize, als auch im Stempel auf eine Temperatur von ca. 200°C aufgeheizt. Bei diesen Versuchen wurde auch das Vormaterial (Magnesium) auf eine Temperatur von ca. 200°C vorgewärmt. 7. Versuchsdurchführung.

Anfangs konnten lediglich mit den Wandstärken 1,5mm als auch 0,7mm intakte Becher hergestellt werden, wobei erkannt wurde, dass die Abstimmung der Butzengeometrie zur Matrize einen sehr wesentlichen Einfluss auf die Stabilität des Produktionsprozesses hat.

Die parallel durchgeführte rechnerische Simulation des Fließpressprozesses für eine Wandstärke von 0,75mm zeigt, dass bei der Herstellung eines Bechers mit diesen Dimensionen im Bereich des Bodens mit sehr hohen Formänderungen zu rechnen ist. 7 • · • ·

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Nach einem weiteren Optimierungsschritt ist es in einer neuerlichen Versuchsreihe gelungen, auch Wandstärken von 0,5mm mit entsprechenden Stückzahlen herzustellen. Die erreichten Qualitätseigenschaften (Wandschwankung, Oberfläche) lagen bei sehr guten Werten.

Da der Prozess des stabilen Butzenvorwärmens mit ca. 200°C in der Serienproduktion eine technische Herausforderung darstellt und zusätzliche, beträchtliche Produktionskosten verursachen würde, ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Magnesium wie Aluminium bei Raumtemperatur umformen zu können. Hierzu wurde bei den Versuchen mit 0,5mm Wandstärke die Butzenvorwärmtemperatur kontinuierlich gesenkt, bis es gelungen ist die Legierung ZK31 auch bei Raumtemperatur, mit vorgeheizten Werkzeugen, zu verpressen.

In der letzten Versuchsreihe ist bei Einzelteilen die Herstellung von Bechern mit einer Wandstärke von 0,35mm möglich gewesen. Das zeigt, dass die fehlerfreie Umformung bei Raumtemperatur möglich ist.

Marktl, am 09. Okt 2006

NEUMAN Aluminium Fließpresswerk GmbH 8

Claims

* ········· ··· Pat. 30 ’··’ ·:· ·..··.·· I NEUMAN ALUMINIUM Fließpresswerk GmbH Patentansprüche: 1. Verfahren und Werkzeuge zum Fließpressen von Magnesium-Knetlegierungen, bei welchem ausgehend von einem Gussbolzen od. dgl. durch Umformprozesse, wie Strangpressen, Walzen und / oder Schmieden mit anschließender Wärmebehandlung ein feinkörniges Gefüge erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet dass, beim Umformprozess eine Umform- bzw. Pressrate von mindestens 1:20, vorzugsweise mindestens 1:26-angewendet wird und damit Korngrößen < 20pm, vorzugsweise < 10pm erzeugtwerdon und die Fließpressbutzen dem auf die oben beschriebene Weise erzeugten Halbzeug senkrecht zur Umfonn- bzw. Schmiederichtung entnommen und bei Temperaturen < 200 °C, vorzugsweise bei Raumtemperatur fließgepresst werden.
2. Verfahren zum Fließpressen von Magnesium-Knetlegierungen nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass, durch entsprechende Legierungsbestandteile, wie Zn, Zr, Mn, Ca, Si, Sb und Ag, ein besonders feinkörniges Gefüge des Ausgangsmaterials (Gussbolzen) erzeugt wird.
3. Verfahren zum Fließpressen von Magnesium-Knetlegierungen nach Patentanspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet dass, die Fließpressbutzen ohne Schmiermittelbeschichtung verpresst werden. 1 I I

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4. Verfahren zum Fließpressen von Magnesium-Knetlegierungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet dass» das Fließpressen mit Werkzeugen erfolgt, die zumindest teilweise durch Beheizen auf eine Temperatur von mindestens 200 °C vorgewännt sind.
5. Werkzeug zum Fließpressen von Magnesium-Knetlegierungen gemäß dem Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet dass das Werkzeug in an sich bekannter Weise eine Heizeinrichtung aufweist, mit welcher es auf eine Temperatur von mindestens 200 °C vorwärmbar ist. Marktl, am 09. Okt 2006 NEUMAN Aluminium Fließpresswerk GmbH